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过渡金属氧化物阻变存储器的制备及其开关机制研究

2020-12-11阅读(98)

过渡金属氧化物阻变存储器的制备及其开关机制研究

论文摘要

基于电荷存储机制的Flash存储器随器件尺寸的缩小遇到严重的物理和技术的瓶颈,无法满足信息技术迅速发展的需要,因此寻找一种高密度、非挥发性、低能耗的下一代新型存储技术已经迫在眉睫。许多新的非易失性存储器件应运而生,其中包括巨磁电阻存储器、铁电存储器、聚合体存储器和电阻存储器。其中“阻变存储器”（RRAM）的发展引人注目,它具有结构简单,制造成本低,功耗低,可快速读写,单个器件可缩小至数十纳米等特点。在众多的绝缘材料如二元氧化物、复杂钙钛矿结构氧化物、硫化物以及有机材料中纷纷发现这种新奇的电阻开关效应。为了揭示这种奇特效应真正的机理,迄今许多科研工作已经将主要精力集中在这一方面,然而至今还没有哪一个理论模型能够对此现象作一个清析而完整的解释,理论分析还相当欠缺,仍然有大量的工作需要做。因此,能够从基本物理理论去揭开电阻变化的神秘面纱是一项重要而有深刻意义的挑战。在本论文的研究工作中,作者使用脉冲激光沉积（PLD）制膜技术和超声喷雾热分解技术结合聚焦离子束刻蚀的技术制备了具有非挥发特性的Au/ SrTiO3-δ（STO）/Pt和Pt/STO/Pt、Ag/STO/Pt、Au/Fe2O3/FTO以及Ag/AIMO/Pt等结构的双极型和单极型开关单元,研究了各种结构阻变开关的性能和不同的存储机理。主要工作如下：1.采用脉冲激光沉积技术制备了Au/STO/Pt结构的阻变存储器件。在经历过不同极化方向Electroforming电压操作之后,阻变器件均表现出了良好的开关性能,包括较低的阈值电压、良好的抗疲劳特性和保持特性,但是它们的回线方向分别表现出顺时针和逆时针方向,这说明了Electroforming对阻变器件内部的缺陷分布产生了巨大的影响。同时,对阻变的存储机理做了深入的分析,通过对电流-电压曲线的拟合发现,高阻态和低阻态分别对应P-F机制和肖特基势垒隧穿机制。基于此我们提出了一种体效应和界面效应结合的阻变模型,并对不同Electroforming电压作用后器件的等效电路做了深入的分析。2.制备了Ag/STO/Pt结构的阻变存储器件,并对其机制做了深入的分析,该阻变器件高电阻和低电阻态之间的电阻比值是103到104量级之间。器件的打开和关断阈值电压分别为0.35V和-0.11V,阻变器件可以写入和擦出的循环次数超过2×104次,高低阻态的电阻可以保持8×106秒以上而电阻没有发生明显变化。为了得到基于Ag/STO/Pt结构的阻变器件的存储机制,我们结合FIB技术制备了基于固体电解质的Ag/AIMO/Pt的阻变器件,得出基于固体电解质的阻变的主要特征,这和Ag/STO/Pt结构器件的特征类似,结合X射线光电子能谱结果和高低阻态电阻的温度依赖性,将Ag/STO/Pt结构的阻变器件机制归结为纳米金属Ag的Filament的形成与断开。3.制备了基于非晶STO薄膜的单极型阻变开关,阻变性能是用脉冲电压诱发的。阻变开关的打开和关闭阈值电压主要集中在0.8～1.5 V和2.5～3.5 V范围内。阻变器件具有良好可以写入和擦出的循环次数超过90次以上,高低阻态的电阻可以保持1.4×104秒以上而电阻没有发生明显的变化。器件高阻态和低阻态的导电机制分别为体效应的Poole-Frenkel发射机制和焦耳热。当低阻态电阻RL>Rco如（约6.2Ω）,导电通道Filament应该是单连的方式。当低阻态电阻RL<Rco（约6.2Ω）,导电通道Filament应该是多重连接方式。阻变开关器件“关闭”操作所需的功率PR随着器件的限制电流和电极面积的增大而增大,但是和低阻态电阻之间关系可以拟合成PR∝RL-γ。4.研究了采用超声喷雾热分解法在F掺杂SnO2的玻璃衬底上制备的α-Fe2O3薄膜,发现在Electroforming操作前后有两种不同的双极阻变开关机制。在Electroforming操作之前,阻变器件的高阻态的导电机制为肖特基发射,Electroforming操作之后,阻变器件的高阻态的导电机制为空间电荷限制电流。这两种阻变效应分别来自界面效应和体效应。对两种不同的阻变模式的保持特性做了对比研究,发现其保持特性与势阱能级的深浅和缺陷分布的“有序”性有关。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 基于半导体技术的非挥发性存储器
  • 1.3 磁存储器
  • 1.4 磁致电阻存储器
  • 1.5 铁电存储器
  • 1.6 阻变存储器
  • 1.6.1 相变存储器
  • 1.6.2 可程序金属化存储器
  • 1.6.3 基于过渡金属氧化物的阻变存储器
  • 1.6.4 基于过渡金属氧化物阻变存储器的开关机制
  • 1.7 本论文工作的意义、目的和内容
  • 参考文献
  • 第二章 过渡金属氧化物薄膜的制备和电学性能表征
  • 2.1 超声喷雾热分解法（USP）
  • 2.1.1 超声喷雾热分解法的原理
  • 2.1.2 USP的四种沉积模式
  • 2.2 脉冲激光沉积（PLD）系统
  • 2.2.1 PLD的基本原理
  • 2.2.2 PLD的系统装置
  • 2.2.3 PLD的技术特点和优势
  • 2.2.4 陶瓷靶材的制备
  • 2.3 阻变存储器的电学性能测试系统
  • 2.3.1 Keithley2400直流源表简介
  • 2.3.2 Keithley2400性能参数
  • 2.3.3 阻变存储器的高频特性测量系统
  • 参考文献
  • 3-δ薄膜双极型阻变开关研究'>第三章 基于SrTiO3-δ薄膜双极型阻变开关研究
  • 3-δ薄膜双极型阻变开关的影响'>3.1 Electroforming电压极化方向对基于SrTiO3-δ薄膜双极型阻变开关的影响
  • 3.1.1 引言
  • 3.1.2 实验过程
  • 3.1.3 实验结果与阻变开关机制分析
  • 3.1.4 本节小结
  • 3/Pt三明治结构的双极型阻变存储器的开关机制'>3.2 基于Ag/SrTiO3/Pt三明治结构的双极型阻变存储器的开关机制
  • 3.2.1 引言
  • 3.2.2 实验过程
  • 0.2（Ag2MoO4）0.8薄膜的阻变存储器开关机制特点分析'>3.2.3 基于Ag电极的固体电解质（AgI）0.2（Ag2MoO4）0.8薄膜的阻变存储器开关机制特点分析
  • 3.2.4 基于Ag电极的STO薄膜双极型阻变开关机制
  • 3.2.5 本节小结
  • 参考文献
  • 3-δ薄膜单极型阻变开关研究'>第四章 基于SrTiO3-δ薄膜单极型阻变开关研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验过程
  • 3-δ薄膜单极开关结果与机制分析'>4.3 脉冲电压诱发非晶SrTiO3-δ薄膜单极开关结果与机制分析
  • R研究'>4.4 单极型阻变开关RESET功率PR研究
  • 4.5 本章小结
  • 参考文献
  • 2O3薄膜的Electroforming诱发阻变开关模式改变的研究'>第五章 基于α-Fe2O3薄膜的Electroforming诱发阻变开关模式改变的研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验过程
  • 2O3薄膜的XRD分析'>5.3 α-Fe2O3薄膜的XRD分析
  • 5.4 两种阻变开关模式下的开关结果与分析
  • 5.5 两种阻变开关模式下Retention性能与机理分析
  • 5.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 结论和展望
  • 6.1 主要结论
  • 6.2 今后的工作展望
  • Publication list
  • 致谢

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